大方坯结晶器流场优化及电磁搅拌过程的研究.pdf

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1、武汉科技大学硕二亡学位论文第1 页 摘要 本文以国内某厂大方坯结晶器电磁搅拌为研究对象，采用物理模拟和数值模拟相结合 的方式研究结晶器网钢液流场。通过水模实验，定性分析不同水口结构对液面速度、侧壁 冲击压和冲击深度的影响。通过结晶器电磁搅拌器的数值模拟，分析了电磁搅拌工艺参数 对结晶器内电磁场的影响。在此基础上利用U D F 编程导入电磁力到无电磁搅拌的结晶器 数学模型中，研究分析了电磁搅拌下不同水1 5 1 结构对结晶器流场的影响，提出了最佳的水 口结构，并讨论了不同电磁搅拌参数对结晶器液面波动的影响。研究表明： ( 1 ) 在无电磁搅拌下，通过结晶器流场的物理模拟和数值模拟可以看出：两孔水

2、口、 四孔水口随着倾斜角的增大，钢液的冲击深度均增大；适当增大扩张角可以减小注流对侧 壁的冲击，减小液硅百波动；四孔水口增大一定的安装角可以减小注流对宽面的冲击，有利 于宽面坯壳的均匀形成。 ( 2 ) 在电磁搅拌下，结晶器内轴向的磁感应强度和电磁力都呈“中间大，两端小”的 分布。在结晶器的横截面，沿径向距离的磁感应强度和电磁力均呈对称分布，边部最大， 由边部沿中心逐渐衰减。 ( 3 ) 电流由4 5 0 A 增大到6 0 0 A ，搅拌器中心磁感应强度呈线性递增；频率由1 5 H Z 增 大到2 5 H Z ，磁感应强度相应减小；随着电流强度、电流频率的增大，钢液受到的电磁力 均相应增大；在

3、冶炼U 7 1 M n ，U 7 5 V 重轨钢中，设定6 0 0 A ，2 H z 满足生产要求，参数设定 合理。 ( 4 ) 由于电磁力起主导作用，改变水口结构对侧壁冲击压影响不大，主要影响液面速 度；电磁搅拌下，钢液在横截面呈旋转运动，四孔水口对角安装可以明显减小液面速度， 倾斜角1 5 。，安装角l O 。的四孔水口最佳。 ( 5 ) 在最佳水口结构下，研究了电流强度( 4 5 0 A 6 0 0 A ) 、频率( 1 5 H Z 2 5 v _ z ) 对液面 波动的影响，研究表明：液面波动的最大值均出现在宽面水口附近。随着电流强度和频率 的增大，液面波动均相应增大。 关键词：大方坯

4、结晶器；浸入式水口；电磁搅拌；流场； 电磁场；数值模拟 第1 I 页武汉科技大学硕士学位论文 A b s t r a c t E l e c t r o m a g n e t i cs t i r r e ro fm o u l df o rb l o o mc a s t i n gw a st h eo b j e c t sf o ri n v e s t i g a t i o ni nt h e d i s s e r t a t i o n T h ep h y s i c a la n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o

5、 d sw e r ew i d e l yt a k e nt or e s e a r c ht h e f l o wf i e l do fm o l t e ns t e e li nm o u l d T h es u r f a c es p e e d ，i m p a c t i n gp r e s s u r ea n di m p a c t i n gd e p t h w e r ea n a l y z e dt h r o u g hw a t e rs i m u l a t i o nf o rd i f f e r e n ts u b m e r g e

6、 dn o z z l e s B yt h en u m e r i c a l s i m u l a t i o no fm o l dw i t hE M S ，t h ee f f e c to fE M Sp a r a m e t e r so nd i s t r i b u t i o no fm a g n e t i cf i e l d w a ss t u d i e d T h r o u g ht h ep r o c e d u r e so ft h eU D F , t h ee l e c t r o m a g n e t i cf o r c ew a

7、 sa p p l i e dt ot h e m a t hm o d e lo fm o l dw i t h o u tE M S ，a c c o r d i n gt os t u d yo ft h ef l o wp a t t e mo fm o l t e ns t e e lw i t h E M Si nm o l do fv a r i o u sS E Np a r a m e t e r ，O p t i m u mS E Np a r a m e t e rw a sp r o p o s e d ，a n dt h ee f f e c t o fE M Sp

8、a r a m e t e r so nf r e es u r f a c ef l u c t u a t i o nw a sd i s c u s s e d T h ec o n c l u s i o n sc a nb ed r a w n ： ( 1 ) B a s e do nt h ep h y s i c a la n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d so fm o u l dw i t h o u tE M S ，T h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ei m p a

9、c td e p t hi n c r e a s e sa st h ei n c r e a s eo ft h ed o w n w a r dn o z z l eo u t l e ta n g l e o ft h et w o - - h o l eS E Na n df o u r - h o l eS E N ；A c c o r d i n gt ot h ep r o p e ri n c r e a s eo fe x p e n d i n ga n g l eo f n o z z l e ，i ti sb e n e f i c i a lt ot h ed e

10、c r e a s eo fi m p a c tp r e s s u r eo fm o l t e ns t e e lo nt h em o l ds i d ea sw e l l a st h ef r e es u r f a c ef l u c t u a t i o n ；w h e nt h ei n s t a l l a t i o na n g l eo ft h ef o u r h o l en o z z l ei n c r e a s e s p r o p e r l y ，a n dt h ei m p a c ts t r e n g t ho nt

11、 h en a r r o ws i d eo f t h em o l dd e c r e a s e s ，w h i c hi sf a v o r a b l e f o rt h es t e e lo nt h ew i d es i d eo fm o l dt os o l i d i f yu n i f o r m l y ( 2 ) T h em a x i m u mm a g n e t i ci n d u c t i o ni n t e n s i t yi sa tt h ec e n t e ro fa x i sd i r e c t i o no fb

12、 l o o m ， a n dl o w e rv a l u e sC a nb ef o u n db o t ha tt h et o pa n db o t t o mo ft h em o l dw i t hE M S ，m a g n e t i c i n d u c t i o ni n t e n s i t ya n de l e c t r o m a g n e t i cf o r c e a l o n g r a d i u so fm o u l d a p p e a rs y m m e t r y d i s t r i b u t i o n ，t

13、h em a x i m u mv a l u e sa r ea tt h ec o m e r , r e s p e c t i v e l y , t h ev a l u e sd e c r e a s ea l o n gr a d i a l d i r e c t i o n ( 3 ) T h em a g n e t i ci n d u c t i o ni n t e n s i t yo ft h eb l o o mi nt h ec e n t e ro fs t i r r e ri n c r e a s e sl i n e a r l y w i t h

14、c u r r e n ti n t e n s i t y ( 4 5 0 A - 6 0 0 A ) ；t h em a g n e t i ci n d u c t i o ni n t e n s i t yd e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s e o fc u r r e n tf r e q u e n c y ( 1 5 H z - 3 0 H z ) ；T h ee l e c t r o m a g n e t i cf o r c ei n c r e a s e sw i t ht h ec u r r e n t i n t

15、e n s i t ya n df r e q u e n c y ；I nt h ea c t u a lc a s t i n gh e a v yr a i l s t e e lU 71M n U 7 5 Vp r o c e s s ，t h e p a r a m e t e r s ( 6 0 0 A 2 H Z ) a r er e a s o n a b l ea n dc o u l db ea p p l i e di nc a s t i n gp r o d u c t i o n ( 4 ) O nt h ee x i s t i n gm o d eo fE M

16、S ，i m p a c t i n gp r e s s u r eh a sl i t t l ed i f f e r e n c ed u et ot h el e a d i n g r o l eo fe l e c t r o m a g n e t i cf o r c e ，T h es u r f a c es p e e dw a sm a i n l yd i s c u s s e d ，t h er o t a t i n gf l o wo f l i q u i d s t e e li sd r i v e nb yt h ee l e c t r o m a

17、 g n e t i cf o r c e T h ef o u r h o l en o z z l ef o rt h eD i a g o n a l p l a c e m e n tm e t h o d ，t h es u r f a c es p e e dw a so b v i o u s l yr e d u c e d ，t h ef o u r h o l en o z z l ew i t ho u t l e t a n g l e15 。a n ds e t t i n ga n g l e10 。i st h eb e s tn o z z l e ( 5 )

18、U n d e ro p t i m u mc o n d i t i o no ft h eb e s tn o z z l e ，T h ee f f e c to fe l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g p a r a m e t e r s ( c u r r e n ti n t e n s i t y4 5 0 A - 6 0 0 A ，f r e q u e n c y1 5 H Z - 3 0 H Z ) o nd i s t r i b u t i o no f t h ef r e e s u r f a c ef l u

19、 c t u a t i o nw a ss t u d i e d R e s u l t ss h o wt h a tt h em a x i m u mf r e es u r f a c ef l u c t u a t i o niS a r o u n dt h ev i c i n i t yo fw i d es u r f a c ei nt h em o l d T h e 矗e es u r f a c ef l u c t u N i o ni n c r e a s e sw i t h c u r r e n ti n t e n s i t ya n dc u

20、r r e n t 盘e q u e n c y K e yw o r d s ： b l o o mm o u l d ； S E N ；E M S ； f i o w f i e l d ； m a g n e t i cf i e l d ； n u m e r i c a l s i m u l m i o n 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 目录 摘要I A b s t r a c t I I 第一章文献综述1 1 1大方坯结晶器流场研究1 1 1 1 合理的结晶器流场1 1 1 2 结晶器流场优化的研究方法2 1 1 3 大方坯结晶器研究现状2 1 。2 结晶器电磁搅拌研究3 1

21、 2 1 结晶器电磁搅拌3 1 2 2 电磁搅拌的研究现状5 1 3 课题背景及研究内容7 第二章无电搅下结晶器钢液流场的数值分析9 2 1 现场生产条件9 2 2 物理模拟的理论基础9 2 3 水模型实验方案9 2 3 1 实验装置9 2 3 2 实验参数的确定1 0 2 4 实验方法一11 2 4 1 结晶器液面波动和注流对窄面的冲击1 1 2 4 2 结晶器流场1 2 2 5 水模实验结果及分析1 2 2 5 1水口结构对液面波动和侧壁冲击压分析1 2 2 5 2 水口结构对结晶器流场的影响1 4 2 6 数值模拟理论基础1 6 2 6 1 基本假设1 6 2 6 2 基本方程16 2

22、6 3 边界条件17 2 7 数值模拟的内容及流程18 2 8 无电磁搅拌数模结果及分析18 2 。8 1 无电磁搅拌数学模型的验证18 2 8 2 两孔水口数值分析2 1 2 8 3 四孔水口数值分析2 2 2 6 本章小结2 4 第三章大方坯结晶器电磁搅拌的数值模拟2 5 3 1 结晶器电磁搅拌装置及网格化2 6 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 3 2 电磁场的模型与求解2 6 3 2 1基本假设2 6 3 2 2电磁场的控制方程2 6 3 2 3 边界条件及初值条件2 7 3 3电磁场模拟结果及分析2 7 3 3 1电磁场的分布规律2 7 3 3 2 电流对磁感应强度的影响3 0 3

23、3 3电流对电磁力的影响3 1 3 3 4 频率对磁感应强度的影响3 2 3 3 5 频率对电磁力的影响3 3 3 4 本章小结3 5 第四章有电搅下结晶器钢液流场的数值分析3 6 4 1 数值模拟控制方程3 6 4 2电磁搅拌前后流场对比分析3 7 4 3 不同水口结构结晶器流场数值分析3 8 4 3 1 两孔浸入式水口有电磁搅拌数模分析3 8 4 3 2四孔浸入式水口有电磁搅拌数模分析3 9 4 4 最佳水口结构的确定4 3 4 5 不同电磁搅拌参数对结晶器液面波动的影响4 4 4 5 1 不同电流对液面波动的影响4 4 4 5 2 不同频率对液面波动的影响4 6 4 6 本章小结4 7

24、第五章结论4 8 参考文献5 0 致谢5 4 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章文献综述弟一早义陬舔尬 1 1 大方坯结晶器流场研究 结晶器是连铸设备中最关键的部件，是连铸机设备的心脏。在连铸生产过程中，结晶 器的功能主要是：( 1 ) 钢液的凝固成型，在结晶器的水冷条件下，钢液进入后开始凝固成 型，并根据结晶器的构造凝固成所规定的形状，如方坯、板坯、圆坯；( 2 ) 高效率的传热 器，把钢液热量迅速地传给冷却水，以达到钢液传热冷却凝固的功效；( 3 ) 钢液净化器， 结晶器是保证连铸坯洁净度的最后一道屏障，通过优化水口结构、利用电磁技术、液面控 制系统等创造合理的结晶器流场，促进钢液中

25、的非金属夹杂物随着钢液的流动上浮并被保 护渣吸附去除，以此达到净化钢液的效果，提高铸坯质量；( 4 ) 铸坯表面质量的控制器， 结晶器是一个钢液一渣相一铜板一坯壳之间相互作用的动态过程，合理的参数匹配直接影 响连铸坯的质量。 1 1 1 合理的结晶器流场 结晶器内钢液流动状态直接影响连铸铸坯的最终质量。结晶器是钢液通过的最后一个 “过滤器”，合理的结晶器流场可以有效地防止保护渣的卷入，有利于夹杂物的上浮去除， 坯壳的均匀生长，保护渣的融化 1 1 。影响结晶器流场的主要因素就是浸入式水口的结构和 浇注工艺参数。 对于小断面的方坯浸入式水口大多采用单孔直通型水口，而对于大断面、低拉速方坯 结晶器

26、除采用直通型水口外，也采用多孔( 两孔、四孔、五孔) 水口浇注。直通型水口钢 液出水口后虽然不容易引起流股沿侧壁回流到液面，造成液面的剧烈波动，从而引起卷渣， 钢液裸露，二次氧化，但是流股的冲击深度比较大，不利于夹杂物的上浮去除，夹杂物极 易随钢液的凝固沉积在凝固坯壳内，影响坯壳的质量。近些年有研究表明拉J ：连铸机使用 四孔浸入式水口，既保证了液面的扰动最小，同时也降低了钢液的冲击深度，改善了钢水 的凝固传热，极大的提高了铸坯的内部质量。合理的浸入式水口结构主要需要考虑以下几 个指标【3 ，4 J ：( 1 ) 液面波动适度；( 2 ) 流股对坯壳的冲击力小；( 3 ) 流股的冲击深度小；(

27、 4 ) 保护渣覆盖均匀，无卷渣或液面裸露现象。 合理的浇注工艺参数包括拉速、插入深度、结晶器的振动、冷却强度等，而结晶器流 场优化的重点就在于拉速和插入深度。插入深度过大，易造成钢液的冲击深度增大，增加 了钢液中夹杂物和气泡被卷入凝固坯壳内部的机率，造成铸坯的内部缺陷；插入深度过小， 钢液出水口后上端的回流股到达液面后极易引起液面的过分波动，从而增大钢液卷渣或者 裸露的机率，造成铸坯的夹渣、二次氧化等缺陷。拉速过大，钢液的流速增大，液面波动 加剧，易卷渣，同时钢液对侧壁的冲刷加剧，不利于凝固前沿坯壳的均匀形成； 因此，衡量优化结晶器流场就应该从液面波动、侧壁冲击压、流股冲击深度三个方面 进行

28、评价，研究钢液的流动行为，以此寻求最佳的水口结构、浇注工艺参数。 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 1 1 2 结晶器流场优化的研究方法 目前对于结晶器流场优化的研究方法，主要采用数值模拟和物理模拟两种方式，提出 合理的浸入式水口结构和浇注工艺参数，并结合现场试验提出合理的优化方案。 物理模拟：在相似原理的基础上，建立水力学模型，通过水力学模拟实验模拟现场钢 液的实际流动过程，由模型观察分析的结果定量转化为现场钢液的实际流动特征，以此提 出合理的水口结构、浇注工艺参数，优化结晶器钢液冶金。目前对于结晶器钢液的物理模 拟，大多采用有机玻璃制作模型，流量计控制钢液的流速，利用中间包塞棒来控制结晶器

29、 液面，采用中国水利水电科学院研制的D J 8 0 0 进行数据测量和采集，分析不同参数下结晶 器的液面波动和钢液对侧壁的冲击压。 数值模拟：根据流动动力学( C F D ) ，利用连续方程、动量方程和能量方程等微分方程， 在一定的假设基础上，建立结晶器钢液流动的数学模型，设定相应的初始条件、边界条件， 应用计算机软件( F L U E N T 、A N S Y S 、C F X ) 或者自编程序，对实际的钢液流动过程进行 迭代求解计算，对相应的计算结果进行后处理，以此寻求最佳的浇注工艺参数。 1 1 3 大方坯结晶器研究现状 随着方坯连铸的发展，近些年，很多冶金专业的工作者在方坯结晶器流场优

30、化的研究 上做了大量的工作。刘坤、关勇等 5 】采用数值模拟的方法对大方坯结晶器内钢水流动过程 进行了理论计算和分析，采用两孔浸入式水口，结晶器内钢水回流与侧孔倾角有关，水口 侧孔倾斜角为3 0 。时水口射流向上回旋的湍流强度适中，不易造成钢水卷渣。水口插入深 度在1 7 5 “ 2 2 5 m m 范围变化，水口射流对结晶器钢水液面冲击较小。 文光华、苏振江、高泽平等【6 ，7 】针对攀钢大方坯结晶器分别采用不同的浸入式水口结构 和出口角度，对结晶器内的流场和温度场进行了水模和数值分析，提出方坯连铸结晶器合 理的水口结构类型是：直通型水口或者四孔向上角度水口。 张晓光 8 等、幸伟【9 】等

31、以及徐海伦【lo 】等研究了大方坯结晶器分别采用不同类型的水口 ( 单孔、四孔、五孔) 钢液在结晶器内的平均停留时间、流场和温度场的分布、液渣层分 布。于学斌【1 l 】等分析了四孔水口不同安装角对结晶器的液面波动、冲击深度的影响，研究 了电磁搅拌与钢液表明流速的关系，研究表明，钢液的表面流速在0 1 5 0 2 m s 为宜。雷洪 等研究表明，当渣的粘度在( 4 0 1 0 0 ) X1 0 。6 m 2 s ，钢渣的临界卷渣速度为0 1 5 0 1 9 m s 。 王维维、张家泉等【1 2 】采用V O F 多相流模型模拟了对称四孔水口不同倾角下结晶器内流 场和钢渣界面的液面波动，研究了水

32、口侧孔向下角度对钢液冲击点的影响和结晶器宽面和 窄面的液面波动振幅影响，研究表明，水口倾斜角对液面波动影响不大，均在3 m m 以内。 吴狄峰、程树森【l3 】等采用数值模拟的方法，通过建立钢液流动模型、凝固传热模型和 夹杂物运动模型，对比研究了不同水口结构对结晶器内钢液的速度分布、坯壳的厚度以及 夹杂物去除率的影响。研究表明，使用四孔型水口有利于减小钢液注流对凝固前沿坯壳的 冲刷，夹杂物去除率明显高于单孔、双孔水口。 这些冶金工作者在方坯结晶器流场的优化上，采用数值模拟与物理模拟相结合的方 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 法，通过改变水口结构、浇注参数都取得了一些冶金效果，但是在进行数值分

33、析中很多都 是将结晶器的自由液面做简化处理，以便于对结晶器进行稳态的流场分析，并没有充分考 虑钢渣界面的自由液面波动，而且也没有考虑结晶器电磁搅拌的影响，不能很好地与现场 的实际情况相吻合。 1 2 结晶器电磁搅拌研究 电磁搅拌的原理是电磁搅拌器产生磁场，磁场穿透结晶器进入熔融金属中，导电的熔 融金属在磁场的作用下产生感应电流J ，由于磁通密度B 和感应电流J 相互作用，在金属 熔体内产生一电磁力F ，从而驱动液体金属流动。 图1 1 电磁连铸浇注过程 1 2 1 结晶器电磁搅拌 结晶器电磁搅拌是目前应用最广的电磁搅拌工艺，安装在结晶器铜壁与外壳之间，为 保证钢液能够获得足够的电磁力，以此达到

34、电磁搅拌的效果，其工作电流常用低频电流， 采用旋转搅拌的方式。其冶金作用主要有以下几方面： ( 1 ) 减小夹杂物和气孔 结晶器电磁搅拌通常采用旋转型搅拌方式。当钢液在电磁力的作用下旋转时，结晶器 内钢液在旋转离心力的作用下，比重轻的杂质物向心运动并发生聚集现象，使杂质变大， 上浮速度加快，促进钢液中的夹杂物和气泡及时上浮，而被结晶器上端的保护渣所吸收， 以此提高铸坯的纯净度、减少内部缺陷。欧洲国家早期应用M E M S 对不同直径的圆坯表 面夹杂分析如图1 1 所示，检验表面，皮下夹杂会控制到无搅拌情况下的1 1 3 。对各种断面 的铸坯针孔指数分析如图1 2 所示，加M E M S 后表面

35、针孔指数均在0 2 以下，相当于无电 搅的1 5E 1 4 j 。 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 0 4 豳蠖磊经知髓 图1 2M E M S 对夹杂的影响 ( 2 ) 促使坯壳生长均匀 结晶器旋转搅拌的切向电磁力的作用， 减少漏钢事故。 辎 ：垃 耋 扩 2 3 02 5 02 7 3 戳m3 2 5 圆坯直经t r a m 图1 3M E M S 对针孔的影响 能有效地清除凝固面前沿，使坯壳生长均匀， ( 3 ) 能提高铸坯等轴晶比率 由于旋转电磁搅拌的切向电磁力的作用，能有效地折断破碎柱状晶，促进晶粒白型壁 生成和游离，从而有利于等轴晶增殖。 ( 4 ) 有利于改善钢液温度合理分布

36、旋转搅拌导致浸入式水口流出的钢水的流动方向由垂直向下改为水平旋转，阻断了从 浸入式水口流出的过热钢水，使其浸入深度变浅，均匀钢水温度；结晶器内钢液轴向温度 迅速降低，而径向温度升高，使凝固前沿温度梯度增大，有利于传热，使钢水的过热度尽 早消失；电磁搅拌的热效应使结晶器内钢水的温度分布被削峰填谷，热区位置上移。 结晶器电磁搅拌按搅拌形式的不同，主要有水平旋转型和自上而下的直线型两种搅拌 方式。水平旋转电磁搅拌主要用在一些方坯、圆坯、宽厚比较小的矩形坯；而直线型的电 磁搅拌多用在板坯或者宽厚比较大的矩形坯【l 引。 结晶器搅拌器按其安装位置分为内置式和外置式两种，如图1 3 所示。 内置式搅拌器的

37、主要特点是搅拌器线圈和铁芯安装在结晶器内，与结晶器共用同一组 内套( 非磁性) 和外套( 可以使非磁性结构) ，内置式线圈的冷却水一般就是结晶器水。 内置式的主要优点是结构紧凑，磁极离铸坯表面近，可以用很小的功率达到较好的冶金效 果。缺点就是投资大，维修量大，线圈易损坏。 外置式搅拌器的主要特点是搅拌器线圈和铁芯安装在结晶器外，结晶器的内套和外套 都是非磁性结构。外置式搅拌器线圈的冷却水一般是独立循环冷却水系统供水。优点是配 置量较少，独立的供水系统提高了线圈的寿命，现场工作量减小。缺点是功耗大，安装时 需要考虑铸机流间距，振动台的荷载能力。 跨于结晶器和足辊之间的搅拌器只能是外置式。 豢舔援

38、l；=覆辩 武汉科技大学硕士学位论文 第5 页 内置 拖拌犍置的 品器上而 图1 4 结晶器搅拌器的结构特征和位置特征 a - 内置式搅拌器；b _ 夕h 置式搅拌器；c 结晶器和足辊间搅拌器 方坯结晶器电磁搅拌类似于普通异步电动机，搅拌器相当于感应电动机的定子，而金 属熔体相当于电机的转子，当电磁搅拌器通上两相或者三相交流电时，在磁极间产生一个 旋转磁场。磁场渗入钢液产生感应电流，与磁场相互作用产生电磁力，驱动钢液在水平截 面做近似于圆周的旋转运动 16 ，1 7 1 。 目前对于大方坯结晶器电磁搅拌少数采用三相六极电磁搅拌器，结构如图1 5 所示。 在圆形轭铁内部均匀分布6 个磁极，6 个

39、磁极上套有6 组线圈，外接三相交流电，电流输 入方式为U V W 型。大方坯结晶器电磁搅拌器大多采用三相1 2 极电磁搅拌器，其结构 如图1 6 所示。由1 2 个线圈组成，接线方式采用克兰姆绕组结构，每相有4 个绕组，线圈 产生的磁通在一个闭合的环形铁芯中串联起来，电流接三相交流电，各相电流相位差为1 2 0 。【1 8 ，1 9 1 。 图1 5 三相6 极电磁搅拌器 图1 6 三相1 2 极电磁搅拌器 1 2 2电磁搅拌的研究现状 目前对方坯结晶器电磁搅拌的研究主要分为物理实验研究和数值模拟研究。物理实验 研究是在实际连铸坯的生产基础上，研究不同的电磁搅拌器位置、搅拌方式、电磁搅拌参 数

40、( 电流、频率) 对铸坯钢样的冶金效果。另一种就是采用数值模拟研究，模拟实验就是 第6 页 武汉科技大学硕士学位论文 根据现场提供的电磁搅拌器参数，建模分析电磁搅拌器的磁场分布，通过电磁场- 流场的双 向耦合来定性地分析电磁搅拌对结晶器流场的影响【2 川。 对于结晶器电磁搅拌的物理实验研究，目前主要有以下一些冶金工作者做了细致的研 究： 陈崇峰2 4 1 采用低熔点水银，模拟研究了电流强度、搅拌器放置方式、测点的不同位置、 磁场方向等因素与磁感应强度B 的关系。研究表明，感应线圈产生的B 随电流的增大而增大， 距离搅拌器越远，B 越小；磁场方向相同，磁感应强度呈抛物线分布，方向相反时，磁感 应

41、强度呈指数分布。J a r k k oP a r t i n e n 等 2 5 1 ，在电磁搅拌下，利用伍德合金对弯月面流体的流 动状态进行了相应的实验研究，探讨了不同电磁搅拌参数与流体流动速率的关系。J a r k k o P a r t i n e n 等2 6 1 同时也对熔融金属体系内流体流动速率进行了在线跟踪测定，并建立了相应的 数学模型，数值模拟了体系内电磁力的分布规律，结果显示与实验研究结论基本一致。 吴扣根等 2 7 1 在实验室自行设计了一套模拟现场结晶器电磁搅拌的在线检测磁场力装 置。同时周亮、唐萍等 28 】人对现场重轨钢小方坯结晶器磁场进行了测试，他们都分析了结 晶器

42、磁场特性，测试发现结晶器磁场在空间分布“中间大，两头小”，磁感应强度随电流 强度增大而增大，随电源频率增大而减小。 这些冶金工作者通过对结晶器的电磁场的实验型研究，系统分析了结晶器电磁场、电 磁力的分布、电磁场对金属流动的影响，为结晶器电磁搅拌的三维建模数值分析提供了基 础，考虑到现场电磁搅拌的实际测量的复杂性以及钢液在结晶器内的复杂物理过程。单凭 实验室的一些简单的实验研究并不能与现场的实际情况较好吻合，因此，为了更好地研究 结晶器电磁搅拌器磁场的分布以及电磁场对钢液的影响，结晶器电磁搅拌的数值模拟越来 越被大家所重视，目前，国内外在结晶器电磁搅拌的数值模拟上，主要有以下工作者做了 细致的研

43、究： T T N a t a r a a a 等【2 9 根据电流向量法和磁标量法建立了方坯结晶器的三维有限元模型， 研究分析了电磁力和电磁搅拌下速度场的分布，为模拟三维电磁搅拌和流动现象提供了理 论基础。J K P a r t i n e n ，S K u n s t r e i c h ，A n a t o l y F K o l e s n i c h e n k o 等【3 0 。2 人在旋转电磁搅拌器磁 流体力学的研究中都做出了一些开创性的工作。 张静、王恩超等【3 3 采用磁场传输方程和标准k - 双方程模型，模拟了大方坯电磁搅拌下 钢液磁感应强度、电磁力、流速的分布，同时考虑了结

44、晶器弧度对结晶器流场的影响。于 洋和李宝科3 4 ，3 5 采用旋转磁场特征变换模型方程并结合边界更新法，提出一种计算旋转型 电磁搅拌器在钢连铸坯中产生的电磁力场的方法，用该方法计算了不同尺寸铁心的影响。 黄军涛和赫翼成等【36 】采用自行开发的软件和商业软件C F X 相结合，对电磁连铸中磁场作用 连铸过程的( 电磁制动、电磁搅拌和软接触) 进行了模拟，开发了恒稳磁场算法，提出了 有限元和边界元相结合计算时变磁场，实现了方坯电磁装置封闭磁路计算以及结晶器恒稳 磁场、钢液流动、凝固和非金属夹杂物的耦合计算。 朱苗勇、任兵芝等利用A N S Y S 软件对大方坯结晶器电磁搅拌的三维电磁场、流场、温 度场进行了有限元、有限体积法的数值模拟，研究发现在电磁力作用下钢液在横截面做旋 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 转运动，在拉坯方向形成上下四个旋涡回旋区。同时于海岐、朱苗勇等也研究了电磁场、 流场、夹杂物的多场耦合分析，夹杂物多集聚在结晶器上部，励磁电流